混凝土核心筒在高层建筑中的应用及抗震综述

混凝土核心筒在高层建筑中的应用及抗震研究综述摘要：回顾了混凝土核心筒在高层建筑中的应用和发展历史，对混凝土核心筒的受力特点以及抗震性能的研究现状进行了论述，指出了混凝土核心筒在抗震研究中存在的主要问题和今后需要进一步研究的方向。关键词：混凝土核心筒；抗震研究；高层建筑引言在高层建筑中，根据结构承受的荷载和抗侧力要求，出现了十多种高层建筑结构体系。组成这些结构体系的构件可归纳为三种基本形式，即线形构件、面形构件和立体构件[1]。对线形构件（如梁、柱、支撑、桁架等）和面形构件（楼板、剪力墙或抗震墙等），国内外已做了大量的理论分析和试验研究工作，其受力行为和抗震性能较为明确。但对于立体构件，如高层建筑中的楼（电）梯间、筒中筒结构的内筒、框架-核心筒结构的核心筒等，进行的受力性能研究和抗震性能研究非常缺乏。同时，由于混凝土筒体具有比线形构件和面形构件大得多的抗侧刚度和空间刚度，被广泛地用于（超）高层建筑结构中。例如，我国（超）高层建筑绝大部分为混凝土结构或钢-混凝土混合结构，相应的实腹筒和核心筒也为钢筋或钢骨混凝土。本文系统地总结、论述了混凝土核心筒在高层建筑中的应用及其抗震研究的发展现状，指出了抗震研究中存在的主要问题和今后需要进一步研究的方向。1混凝土核心筒在高层建筑中的应用近年来，由于框架-混凝土核心筒混合结构具有很强的性能优势和经济优势，在我国的发展和应用极其迅速[2—6]。由于这种混合结构体系比钢结构的用钢量少，又可减小柱子断面，常常为业主所看重。钢框架或型钢混凝土框架具有较高的材料强度，主要承受竖向荷载，同时还可利用钢框架的轻巧性，做成较大跨度的楼面结构。目前我国已建高度超过150m的高层建筑混合结构中有19栋采用了框架—混凝土核心筒结构体系[4]，这种结构体系在非地震区和地震区均有应用，其中有不少是在7度及其以上抗震设防地区，高度有的甚至超过300m[6]。例如，上海金茂大厦(88层420.5m)和上海环球金融中心（95层460m，在建）采用的都是钢筋混凝土核心筒、型钢混凝土柱及钢柱形成的框架－核心筒混合结构，此外，采用混凝土核心筒的还有深圳地王大厦(81层325m)、深圳发展中心(48层165m)；北京国贸二期(39层156m)；大连云山大厦(52层208m)、大连远洋大厦(51层201m)；天津云顶花园(43层165m)等。混凝土实腹筒广泛用于筒中筒结构中，采用框筒作为外筒，实腹筒作内筒，内筒与外筒通过水平刚度很大的楼板连接，保证两者协同工作。例如，陕西信息大厦(52层189m)，南宁宝都大厦(48层179m)采用的是型钢混凝土结构筒中筒体系，内筒为混凝土筒体，外筒为型钢混凝土框筒；海口金融大厦(48层169m)为型钢混凝土结构筒中筒体系，其内筒为型钢混凝土筒体，外筒为型钢混凝土框筒。由此可见，混凝土核心筒和实腹筒已经成为我国高层建筑特别是超高层建筑中不可或缺的最为主要的抗侧力结构单元。框架—混凝土核心筒结构虽在我国被大量采用,但国外在地震区很少采用该类结构体系。美国的一些设计规程曾指出[7]，这种混合结构体系的抗震性能基本上取决于混凝土核心筒。在历史上它有过遭受地震破坏的记录（1994年美国阿拉斯加地震，一栋14层的旅馆大楼完全倒塌，而倒塌的原因就是由钢筋混凝土核心筒倒塌引起的），加之对这种结构的抗震问题没有进行过系统的研究，因此认为不宜用于地震区，且认为高度不宜大于150m。日本仅在1992年建造了两座高度分别为78m和107m的钢框架—混凝土核心筒混合结构的高层建筑，并结合这种建筑对其抗震设计方法、核心筒墙柱和连梁的试验等开展了一定的研究。但这两座建筑高度都不大，并且由于日本国内工程界对这种结构体系的抗震性能有争议，至今尚未出现第三例。2混凝土核心筒的受力特点及抗震性能一般认为，框架—混凝土核心筒混合结构与框架—剪力墙结构的工作原理类似，框架和混凝土核心筒通过楼板二者协同工作，共同抵御地震作用，为双重抗侧力体系。其中，混凝土核心筒具有较大的抗侧刚度，为主要的抗侧力结构单元，承受绝大部分水平荷载，外围框架主要承受竖向荷载，仅分担一小部分水平荷载。因此，在此类结构体系中混凝土核心筒的抗震性能显得尤为重要。因为混凝土核心筒作为第一道抗震防线，在小震时，核心筒处于弹性阶段并承担大部分的地震剪力，而进入弹塑性阶段后，核心筒要有足够的弹塑性变形能力，把地震作用有效地传递给第二道抗震防线，并保持结构的稳定性，使之在大震作用时不至于倒塌。因此，从整个结构的角度来看，框架－混凝土核心筒混合结构的抗震性能基本上取决于混凝土核心筒[3]，由于核心筒的高宽比较大（约为10～12），其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的框架协同工作来减小侧移，不仅增大了外框架的负担，而且效果如何，至今还没有经受过地震的考验。3混凝土核心筒抗震研究现状3.1混凝土核心筒抗震性能试验研究在我国，混凝土核心筒结构多用于抗震设防区。因此，混凝土核心筒在遭遇地震作用时的抗震性能如何，是广大工程结构抗震人员甚为关注的问题。与混凝土核心筒的广泛应用和发展速度相比，我国对混凝土核心筒抗震性能的研究，仅仅在近几年才开始，对其抗震研究还滞后很多，远远不能满足抗震设计的需要。同济大学吕西林等[8]对钢筋混凝土核心筒进行了抗震性能的拟静力试验研究，共进行了两组5个钢筋混凝土筒体试件的低周反复加载试验，主要研究不同轴压比和剪跨比的钢筋混凝土核心筒的破坏机理、承载能力、破坏形态、层间剪力在连梁中的传递规律、延性和耗能能力等方面的抗震性能。试验表明，对应于不同轴压比，试件的开裂荷载及开裂位移比较接近，没有表现出随着轴压比增加而增加的现象；在变形能力方面，位移延性系数随着轴压比的增大而下降；此外，试验中核心筒表现出了很强的“剪力滞后”作用；轴压比的增加对筒体连梁的开裂和破坏影响不大，但是对核心筒自身的承载能力、破坏模式、延性、耗能能力等影响很大。曹万林等[9]在研究带暗支撑长肢剪力墙和带暗支撑异形截面短肢剪力墙抗震性能研究的基础上，进行了两个1：6模型比例混凝土核心筒低周反复水平荷载试验研究，对混凝土核心筒的裂缝开展、破坏模式、承载力、刚度、恢复力性能、延性和耗能能力等进行了分析，并对比了带暗支撑混凝土核心筒和普通混凝土核心筒抗震性能的异同。李国强等[10]对一钢-混凝土混合结构进行了1：20的缩尺模型模拟地震振动台试验，试验主要测试了模型的位移、加速度反应,底层混凝土核心筒的竖向动应变，钢框架柱的竖向动应变等。在国外，有关专门对混凝土核心筒抗震性能的研究非常缺乏，究其原因主要是欧美等国家的高层建筑主要以钢结构为主，由钢桁架组成各类筒体，同时，由于对这种框架-混凝土核心筒混合结构抗震性能的看法不一，在地震区很少采用此类结构。但对混凝土剪力墙进行了一些研究工作，例如，1993年美国和日本合作进行了1：3模型比例、12层的T型钢筋混凝土联肢墙体抗震性能伪静力试验研究[11]，表明联肢墙所承受的剪力与其所受轴力的状态（受拉或受压）、连梁等因素有关，同时研究了联肢墙在侧向力作用下的破坏过程、破坏特点以及剪力沿墙体高度的分布规律。日本鹿岛技术研究所Makoto等进行了九个1：12比例的H型截面核心墙拟静力抗震性能试验[12]，研究了H型截面混凝土墙水平荷载和扭转同时作用时的承载力、变形和破坏形态；HAZAMA技术研究所进行了四组钢筋混凝土核心筒拟静力试验[13]，用以研究墙体内钢筋不同构造方式对筒体在侧向荷载作用下变形能力与破坏形式的影响；日本核动力工程公司地震工程中心进行了三组8个正方形截面混凝土筒体的低周反复荷载试验，主要研究了水平受力角度对混凝土筒体抗震性能的影响[14]，这些试验，为研究和控制混凝土核心筒的延性和耗能方式提供了基础资料。上述试验研究，采用的试验模型较小，且侧重于框架—核心筒混合结构整体抗震性能的分析，而对于混凝土核心筒抗侧力单元基本上没有进行深入研究，同时现有的试验研究中，模型结构的试验条件、试验参数、加载设备以及试验方法等都不统一，结构形式相互之间的差异也很大。3.2混凝土核心筒理论计算模型研究在理论研究方面，文献[15]采用一种反复荷载下混凝土材料的本构模型，按照八结点平面应力单元建立了钢筋混凝土核心筒体非线性有限元分析模型，对试验模型进行了非线性分析；文献[16]在非线性有限元计算模型和分析程序的基础上，对影响钢筋混凝土核心筒体抗震性能的三个重要参数，即高宽比、轴压比、连梁刚度比，进行了一系列模型的非线性计算分析，得出了各参数对核心筒的承载力、破坏形式、延性、耗能能力等抗震性能的影响，为参数影响的定量研究和工程设计提供了有价值的参考。文献[17]在分析总结钢筋混凝土剪力墙受力性能的基础上，确定了一个合理的钢筋混凝土核心筒的非线性反应分析模型，即多竖线单元模型，并通过对现有国内外钢筋混凝土核心筒体及部分剪力墙试验结果的分析，选取了核心筒的剪切滞变模型和轴向刚度滞变模型，进而给出了钢筋混凝土核心筒非线性地震反应分析方法。A．K．H．Kwan[18]认为筒体结构的剪力滞后不仅发生在框筒中，在实腹筒中也发生剪力滞后，并通过有限元方法对实腹筒的剪力滞后进行了研究。[19]在用杆系—层模型对钢—混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析时，将混凝土核心筒简化为杆单元模型；程绍革[20]在对钢—混凝土核心筒结构进行罕遇大震下的弹塑性时程分析时，将混凝土核心筒按抗侧刚度等效成宽柱框架，但用这种模型来模拟混凝土核心筒构件难以很好地反映钢筋混凝土核心筒在较高轴压比状态下的受力和变形特性以及核心筒中性轴移动的影响。刘英、蔡益燕等[21]在研究钢一混凝土核心筒混合结构的抗震性能时，混凝土核心筒采用墙单元，并考虑其弹塑性性能，分析核心筒刚度退化对水平地震作用分配的影响；李国强等[22]在对钢一混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析时，分别将混凝土核心筒简化为一根箱型截面的竖向悬臂杆和采用墙元与条元耦合；周向明、李国强等[23]采用以层模型为基础的结构弹塑性地震反应分析法，将混凝土核心筒视作由开洞剪力墙组成的筒体，简化为平行于地震荷载方向的抗震墙。米4制引混凝土核尾心筒抗震疾研究存在榨的主要问货题和今后纳的研究方注向长如上所述爸，目前在转对钢框汇架算—难混凝土核佩心筒混合紧结构进行情分析研究哥时，所选挨用的混凝欠土核心筒盗的非线性交分析模型胀都比较简乔单，不能酱很好地反俭映其在地精震作用下兼的真实特缘性，如在屡较高轴压扎比状态下商的受力和党变形特性叶以及核心恼筒横截面敞中心轴移吓动的影响铅等。对在谨我国高层洽建筑结构眼中应用如祝此广泛的弦混凝土核士心筒来说虹，不论其乔抗震性能丙的试验依蠢据，还是箱理论分析供或数值模娱拟都是远电远不够的巡，特别是坑在高烈度伟设防地震挖区，确保景混凝土核坛心筒在地自震作用下蜓的安全性雀和可靠性肝对高层建叛筑至关重砌要。但是念，就目前然国内外的但研究情况籍而言，对通混凝土核枪心筒抗震劈性能的研刷究还有很谅多问题亟棍待解决，肠存在如下腿一些主要途问题：丈(巧1怒)数对混凝土会核心筒抗艳震性能认雕识不足评对于钢筋杜混凝土核烛心筒的抗专震设计，宝目前工程旦中主要是芒延续剪力嗽墙的延性父设计方法索，按照强疮剪弱弯的梅原则进行莲设计，采坛取措施使静变形集中会的塑性铰暑区具有足趋够的延性木。但由于窝核心筒是旺立体（空秧间）构件予，剪力墙占是面形（酿片状）构剃件，它们讯之间的受姑力特性有害较大的差免别，把剪斧力墙的抗仗震设计方构法直接用恩于核心筒超中可能存田在较大的睛问题。而链目前对混站凝土核心周筒的抗震复性能研究丢，国外研想究很少，诚国内研究祝则刚刚起蓬步。因此规，不论是踏试验研究润还是理论稍分析，都旷有必要对透核心筒的拆破坏机理你、薄弱部埋位、承载玉力、变形武性能、延音性和耗能羡能力、塑心性铰出现战等方面进臭行更为深卡入的研究叠。惠(絮2芬)岂高轴压比餐下混凝土杏核心筒抗村震性能有赚待深入研潮究馒在我国，前混凝土核币心筒较多从地应用于恳高度较大集的（超）僚高层建筑性钢婆—挂混凝土混窄合结构中弃，核心筒慧在抗侧力族的同时，丑特别是在撕底部还承么受很大的室竖向荷载笨，使核心显筒处于较托高轴压应喷力状态，杆高轴压比勿不但影响谋结构的延赏性，而且罗在结构发域生侧向变子形时，会循影响整个派结构的稳敞定性。吕榨西林等肤[8]拣对高轴压善比下（轴妹压比为意0.孕4匹，尾0.6族）核心筒劫的承载力暑、破坏形赶态、延性竞性能等做专了一组试勇验，取得负了一些宝睁贵试验资及料，但是盟对于应用岭如此广泛海的核心筒蛙，仅有这员一组试验国数据是远览远不够的赛。苏(寻3适)据高宽比很安大的混凝丧土核心筒盐抗震性能章也有待深怪入研究声混凝土核允心筒是高侍层建筑结伞构的主要仗抗侧力构缝件，其承珠载力和延墓性要求都蚀应更高，次抗震时要必采取提高烦延性的各率种构造措央施。现行纠基于剪力助墙的抗震挎设计和构主造措施，嘴都是根据非混凝土剪逮力墙的试骄验研究和仿理论分析册建立的，俊而对于高饥宽比很大喊的剪力墙抹或核心筒暗抗震性能此，缺少研饲究。而从犁我国已建窃的高层建班筑来看，兵核心筒的番高宽比很羽大，例如当，大连远竟洋大厦，距上海金融赖大厦核心晨筒高宽比口分别略为托11.袄4窑和恩13.9石6句，而深圳再地王大厦衰核心筒高挎宽比达获到揪2咱4键。因此，捐对高宽比武很大的核装心筒需要笑进行更加线深入的试统验研究和亲理论分析傻。消(链4敢)坊现行混凝糟土核心筒呈的加强部彩位及构造午措施缺少约研究依据漆剪力墙的帐加强措施惹是在端部峡设置约束妈边缘构件底，并且现永行规范对挡约束边缘灵构件的设蛇置也做出剖了具体的榴规定。在与地震作用驰下，空间帖核心筒与区片状剪力动墙的工作尘性能差异欣很大，而匀现行规范昆中混凝土治核心筒加殃强部位和荣构造措施多均按剪力匀墙的规定嘉进行设计扔，缺少试桨验检验和史理论分析钱；同时，另由于核心库筒的高宽鸣比很大，开在罕遇地带震作用下蓝，与地震吵作用方向纽垂直的核陡心筒墙片析，在强震兰作用时要彩整体受拉直，此时，凡仅在墙片微的端部设惨置约束边己缘构件就拿不合适了批，这就需贼要考虑合韵理的设置蛮核心筒的旨加强部位眯和加强措墨施，如在匙筒体的四席角加强配麻筋或设置饺型钢柱等撞，这些都挤有待于进扁行试验研扎究和理论仇分析。恭(5施)没混凝土核断心筒的剪廉力滞后研奔究缺乏扯对框筒结难构的剪力黄滞后进行缓了较多的饺理论分析蝶和研究，论但混凝土棉核心筒和煤实腹筒也拴存在剪力帖滞后问题昆，特别是筝国内对此失认识不足尊，研究缺朴乏。如剪创力滞后对旨混凝土核灿心筒受力深性能的影纽响，影响碍剪力滞后勇的因素有梨哪些等问雪题，都亟头待加以研绑究解决。赔(甚6桌)塌对型钢混准凝土核心传筒的抗震及性能研究星匮乏便随着型钢跑混凝土结忆构的发展固，其性能任优势和经乌济优势越梨来越被肯闷定，已广金泛地用于洪我国的高规层建筑中洲，一些高朽层建筑中鹿的核心筒惰也采用型酒钢混凝土错。然而，云国内外对瑞型钢混凝翅土核心筒晌的抗震性胀能，包括族试验研究鱼和理论分诊析基本上洒属于空白繁，开展相考应的研究向工作，对趟型钢混凝昌土核心筒巨的破坏机志制、耗能猾能力、承梅载能力等藏进行试验裤研究和理兄论分析，羽也是实际阻工程的迫立切需要。幕(7砌)枕框舱架天-贤混凝土核氏心筒混合猎结构中水茎平作用力储的分配有宋待进行更在深入研究繁我国已有轰的工程实因践和试验惊研究表明鸽，混凝土喇核芯筒结员构刚度相爱对有余，恰强度不足贯，外钢框鞠架强度相妄对有余，僚刚度不足械，使得这切种混合结旺构体系的沃抗震性能尝不协调。椒当结构遭肥受罕遇大枕震时，塑驰性铰主要蛙出现在混旷凝土核心年筒上，这蒙样的塑性缸铰机制对访结构体系足十分不利宰，一旦核哥心筒发生火过大的变钞形和严重详破坏，外批钢框架因廊刚度不足肌就会导致弊整个结构朽体系或子闹结构局部针倒塌。因叫此如何使撒框架和混杀凝土核心向筒具有较胞好的变形宁和强度协唉调性也值春得深入研洲究。另一涝方面，现楼在一般认舌为，在水懒平力作用监下，框羽架叮—押核心筒混剧合结构的填协同工作阳原理，类俊似于框铲架炭—恩剪力墙结回构的协同萌工作，即互框架的侧君向变形为背剪切型；腰而实际上漫，对于高杯宽比很大漫的框佳架熔—油核心筒混锡合结构，泰框架的高猾宽比也相甜应的很大控，其侧向梯变形似应靠该以弯曲吃型为主，讲从而框架纤和核心筒庆的水平力荡分配也会狠发生变化观，值得进双行研究。参考文献种[1]疯辆刘大堡海饿,涨杨翠借如酬,液钟锡粘根物.磁高层建筑味抗震设呆计发[M]时.忧北京：中繁国建筑工言业出版社主，段1993冰.锣[2]跑扑张令击心馋,掉郭丰雨．恭钢雄-示混凝土混君合结构抗迅震研究述掉评触[J份]折．地震工茫程与工程册振动卷，夺200萍4骡，倘24(3扩):51网~5去6妙．释[3]震必方鄂录华译.恳高层建筑概钢筋混凝扩土结构概切念设安计推[M]战.瓶北京：机若械工业出纠版扔社交,200贪4.烟[4]虚虾徐培渗福锅,塔傅学灿怡扔,饶王翠绕坤族,拉肖从叫真才.蚁复杂高层稍建筑结构寨设摧计窑[M]杯.研北京：中辣国建筑工融业出版社株，闻2005蔑.缝[旋5腐]恰方鄂毛华友,崇钱稼睬茹总.痒我国高层恐建筑抗震棋设计的若贼干问园题波[J]诊.系土木工程刚学吴报鄙,199哲9,32乓(1)选:饱3绍～术8.挎[6]氏辣刘大绩海圆,豆杨翠森如诞.呼高楼钢结溪构设狐计判[M]肠.穴北京：中握国建筑工必业出版社计，谁2003什.腹[7]捐Bahr闹amM辆.Sh洗ahro袜oz,滥Bing上nian固Gon请g,G这okha俗nTu姨nca中ndJ碑erem向yT.挨Dea疲son.配An香over拜view头of邻rein讨forc座edc淘oncr环ete折core错wal走l-st稻eel毕fram许ehy泉brid仍str江uctu约res派[J].员Pro密g.S栏truc意t.E互ngng俯Mat糠e圆r抛，布ASCE宅.200俊1(3)研:149含~158吗.菜[8]撑乞吕西拐林长,踢李俊兰氧.血钢筋混凝摩土核心筒浅体抗震性鼻能试验研齿究辞[J]潮.哑地震工程婶与工程振薄动臭,200男2,22驱(3):乞42吵~诱50.咏[9]混蜘曹万皇林瘦,鸭张建组伟驴,府黄选洁明甲,饭卢智廉成突.若带暗支撑苹短肢剪力获墙及核心园筒抗震研嫩究与应找用检[J]悬.端工程力学坏(烘增刊规)暗,20搬05,诉94~1蓬06.屈[缴10厚]伤碑李国强麻,陕周向明贷,航丁翔况.桐高层建筑假钢厘-移混凝土混润合结构模刘型模拟地止震振动台低试验研究民[J].润建筑结构婆学报备,200夕1,22吸(2)贺:鸭2键~帐7.温[11]裙Keni餐chi躺Suga角yae眨tc遵.太．掏Expe夜rime痕ntal帆stu蛮dyo榆nca式rryi瓶ngs榨hear坏for死cer符atio烫of扮12s顺tore傍yco伪uple还dsh量ear漂wall抽s[C驶]掘．枣12WC苦E挡E奔，安2000没,Pap吊erN采o.21岛52.卫[12]苗Mak拴oto乳Maru浴tae属tc.好Stru膛ctur拆alc慰apac穷itie深sof穷H-s铁hape衣dRC笑cor品ewa可lls竞ubje克cted创to列late距ral招load旷and案tor公sion捕[C],汤12W虚CEE据,蝴200则0,Pa止per吉No.念1028找.暴[13]面T.覆Naka扛chi货etc.键Exp献erim亿enta欢lst物udy抖ond爬efor做mati扇onc炉apac粒ity贸ofr级einf虑orce贤dco煮ncre茂tec麻ore闪wall柜saf伯ter盛yiel垮ding凑[C],培11W荷CEE.疲199份6,P练aper探No.款174刘7.佩[14]妥Atsu永shi坝Haba愁saki堡etc耻.盘．哈Mult扰i-di诚rect森iona银llo开adin咏gte毒stf律orR亚Cse疏ismi车csh锦ear饶wall轻s[C榆]瞧．累12WC原EE,忍2000骄,嗽Pape眠rNo镜.45担4离.够[15]慌项李俊朋兰绑,洋吕西管林遮.汇钢筋混凝姨土筒体的笑非线性有吵限元分